Сучасні технології побудови комп’ютерних мереж (стр. 1 )

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Київський національний університет будівництва і архітектури

СУЧАСНІ ТЕХНОЛОГІЇ ПОБУДОВИ

КОМП’ЮТЕРНИХ МЕРЕЖ

Рекомендовано науково-методичною радою

Київського національного університету будівництва і архітектури

як навчальний посібник для студентів

факультету автоматизації та інформаційних технологій

Київ 2004

УДК 681.324

ББК 32.97

В55

Рецензенти: , доктор техн. наук, професор,

заступник директора ДНДІАСБ з наукової роботи

Г. Є.Чайка, доктор фіз-мат. наук, професор кафедри

радіотехнології Державного університету інформа-

ційно-комунікаційних технологій

Затверджено на засіданні науково-методичної ради Київського національного університету будівництва і архітектури 25 лютого 2004 року, протокол

Вишняков В. М.

В55 Сучасні технології побудови комп'ютерних мереж: Навчальний посібник. – К.: КНУБА, 2004. – 128 с.

Розглянуто основні поняття та сучасні технології побудови комп’ютерних мереж. Надано відомості про застосування мережних технологій у будівництві на конкретних прикладах. Наведено дані про перспективні розробки та напрями розвитку програмно-тех-нічних засобів комп’ютерних мереж у будівельному комплексі України.

Призначений для студентів факультету автоматизації та ін фор - маційних технологій.

УДК 681.324

ББК 32.97

©

, 2004

©

КНУБА ЗМІСТ

Вступ..............................................……...…………………………………....5

Розділ 1. Принципи побудови сучасних комп’ютерних мереж..........…....7

1.1 Концепції та термінологія................................................….....…7

1.2  Рівні ієрархії телекомунікаційних протоколів ..........................11

1.3  Обладнання комп’ютерних мереж...................................…......21

Висновки..............................................................................................33

Запитання та завдання для самоперевірки........................................34

Розділ 2. Канали зв’язку у сучасних комп’ютерних мережах....................36

2.1  Сучасний стан розвитку каналів передавання даних................36

2.2  Характеристики каналів зв’язку у комп’ютерних мережах ......37

2.3  Перспективні технології побудови каналів зв’язку для комп’ютерних мереж............................................................................48

Висновки ...............................................................................................51

Запитання та завдання для самоперевірки.........................................55

Розділ 3. Сучасні та перспективні мережні технології.............…................56

3.1 Технології побудови локальних мереж...............…......................56

3.2 Технології побудови глобальних мереж…...................................71

3.3  Захист інформаційних ресурсів у комп’ютерних мережах........94

Висновки ...............................................................................................98

Запитання для самоперевірки.............................................................103

Розділ 4. Розвиток мережних технологій у будівництві.............................104

4.1 Корпоративна інформаційна мережа будівельного комплексу України.................................................................................................104

4.2 Технологія дистанційного обслуговування проектувальників будівельних конструкцій...................................................................108

4.3 Розвиток галузевих систем дистанційного навчання та розповсюдження технічних знань.....................................................109

4.4 Напрями розвитку галузевих систем баз даних.........................113

Висновки ..............................................................................................115

Список літератури................................................................................118

Додаток 1. Організації, що розробляють стандарти КМ.................120

Додаток 2. Розміщення кінців скручених пар у роз’єднувачах

типу RJ-45.…......................................................................................121

Додаток 3. Формули для обчислення перепускної здатності

каналів зв’язку....................................................................................122

Додаток 4. Спектральний аналіз сигналів........................................123 Додаток 5. Перелік скорочень............................................................126

ВСТУП

Цей посібник допоможе у короткий час ознайомитись з основними досягненнями одного з найбільш актуальних напрямів розвитку сучасного суспільства, який значною мірою впливає на діяльність людства.

Після бурхливої комп’ютеризації розпочався не менш бурхливий процес впровадження зв’язку між комп’ютерами. Найбільш важливим результатом цього процесу можна вважати створення всесвітньої мережі Інтернет. Це значно прискорило розвиток людської діяльності в таких важливих напрямах як накопичення та розповсюдження знань, що в свою чергу підштовхнуло розвиток наукової думки. Тепер вчені за лічені хвилини можуть ознайомитись з останніми розробками в будь-якій галузі знань, а також швидко розповсюдити інформацію про власні досягнення. За останні кілька десятків років через комп’ютерні мережі ми отримали найефективніші засоби спілкування на будь-якій відстані та широкого доступу до найрізноманітнішої інформації.

Метою створення цього посібника є надання допомоги студентам при набутті базових знань у галузі мережних технологій та ознайомлення з напрямами використання цих знань у галузі будівництва.

У посібнику вміщено відомості про мережні технології, які користуються найбільшим попитом, та пояснюється вибір проектних рішень Корпоративної інформаційної мережі будівельного комплексу України. Також розглянуто найновіші розробки відділу мережних інформаційних технологій Державного науково-дослідного інституту автоматизованих систем в будівництві (ДНДІАСБ) Держбуду України. Набуття цих знань має полегшити майбутнім фахівцям перехід від навчання до професійної діяльності, допомогти впроваджувати, створювати та використовувати мережні технології.

Щиру вдячність висловлюю своїм колегам по роботі у ДНДІАСБ за надання інформації про свої розробки, підтримку та цінні зауваження під час підготовки рукопису, а саме: завідуючому відділом Інтернет-технологій і систем інформаційного забезпечення будівельної галузі Леоніду Федькову; завідуючому лабораторією технічного та програмного забезпечення інформаційних мереж, аспіранту ДНДІАСБ Дмитру Тарасюку, який очолює розробку телекомунікаційної частини системи дистанційного обслуговування проектувальників будівельних конструкцій; завідуючому лабораторією розробки мережних технологій, кандидату фізико-математичних наук Анатолію Вовку; кандидату технічних наук, головному проектувальнику Корпоративної інформаційної мережі будівельного комплексу України Володимиру Чуприну та провідному інженеру-програмісту, розробнику телекомунікаційної частини банку даних будівельних цін Олексію Гіричу.

Р О З Д І Л 1

Принципи побудови сучасних комп’ютерних мереж

1.1  Концепції та термінологія

Ідею обміну інформацією між комп’ютерами розпочали втілювати у власні розробки майже від початку своєї діяльності усі провідні виробники комп’ютерів. Для цього кожен виробник створював спеціалізовані засоби, які згодом, завдяки діяльності спеціалістів різних країн, перетворилися на стандартизовані компоненти комп’ютерних мереж (рис.1.1).

 

 

Рис. 1.1. Класифікація основних компонентів комп’ютерних мереж

Цю діяльність на початку очолював Міжнародний консультативний комітет з телефонії та телеграфії (МККТТ), а після перетворень, що відбулися у 1993 році, її очолює Міжнародний телекомунікаційний союз (International Telecommunication Union, ITU), що є спеціалізованим органом Організації Об’єднаних Націй. Розробкою міжнародних стандартів для комп’ютерних мереж займається сектор стандартизації телекомунікації ITU (ITU Telecommunication Standardization Sector, ITU-T).

Результатом цієї діяльності є можливість об’єднання мереж від різних виробників. Яскравим прикладом такого об’єднання є мережа Інтернет.

Перелік найбільш відомих розробників стандартів КМ та їх основних розробок надано у додатку (див. дод.1).

У загальному вигляді КМ являють собою сукупність комп’ютерів, що з’єднані за допомогою комунікаційного обладнання.

Метою створення КМ є надання кожному користувачеві потенційної можливості користування ресурсами усіх комп’ютерів, що підключені до мережі [1].

Варіанти з’єднання комп’ютерів можуть відрізнятись за топологією.

Термін топологія (topology) означає конфігурацію мережі у цілому.

Найбільш поширені топології КМ – шинна, кільцева та зіркоподібна (рис.1.2).

 

а

 

б в

Рис. 1.2. Основні варіанти топології КМ:

а – шина; б – кільце; в – зірка.

Ці найпростіші варіанти топологій відповідають окремим або не поєднаним між собою мережам. З урахуванням міжмережних зв’язків топологія може бути як завгодно складною сумішшю найпростіших варіантів. На рис.1.3 схематично зображено деревоподібну та повнозв’язну топології.

У математичному понятті топологія являє собою граф, вершинами якого є комп’ютери, а ребрами – зв’язки між ними. Комп’ютер, що підключений до мережі називають вузлом, станцією або хостом (host).

а б

 

 

Рис. 1.3. Топології мереж:

а – деревоподібна; б – повнозв’язна.

У понятті топології КМ не враховується територіальне розміщення вузлів (що суттєво відрізняє це поняття від розуміння топології в інших системах), а враховуються тільки логічні зв’язки між комп’ютерами [2].

Крім поняття топології КМ, існує поняття топології фізичних зв’язків між мережними пристроями. Ці пристрої можуть являти собою комутаційне обладнання, що не підпадає під поняття вузла мережі, бо вузлами мережі вважають тільки такі системи, які опрацьовують, приймають та/або передають пакети інформації. Цей момент буде розглянуто детальніше на прикладі мережі Ethernet у підрозділі 3.1.

Термінологія у галузі КМ ще остаточно не визначилась. Наведемо означення, які ми будемо використовувати в подальшому.

Реальна система – це сукупність комп’ютера (або кількох комп’ютерів), програмного забезпечення, периферійного обладнання, терміналів та персоналу, яка опрацьовує інформацію та може бути повністю автономною.

Автономна система – це реальна система, що не приєднана до мережі.

Відкрита система – це система, що відповідає стандартам побудови відкритих систем та може бути приєднана до мережі.

Комунікаційна система – це відкрита система, яка забезпечує обмін даними між абонентськими системами у відкритій інформаційній системі.

Реальна остаточна система – це реальна система, яка виконує у мережі функції станції даних, тобто є джерелом та/або споживачем інформації.

Абонентська система – це реальна відкрита система, яка є постачальником та/або споживачем ресурсів мережі, забезпечує доступ до них користувачів і керує взаємозв’язком відкритих систем.

Ініціаторами та учасниками обміну інформацією в абонентських системах є прикладні процеси.

Прикладний процес – це процес у реальній остаточній системі, який опрацьовує інформацію для визначених потреб.

Прикладами прикладних процесів можна вважати дії користувача за терміналом у одній остаточній системі та програму доступу до бази даних у другій остаточній системі. Зв’язок між прикладними процесами цих систем забезпечується за допомогою середовища передавання даних.

Середовище передавання даних – це сукупність комунікаційного обладнання та програм, що реалізують телекомунікаційні протоколи, яка забезпечує процес передавання даних між остаточними системами.

Структуру середовища зв’язку відкритих систем визначає стандарт 7498 ISO. За цим стандартом середовище зв’язку розподіляють на сім рівнів ієрархії. На кожному рівні використовують поняття об’єкта рівня.

Протокол – це стандартизовані правила обміну інформацією між об’єктами однакового рівня ієрархії різних відкритих систем.

Інтерфейс – це сукупність засобів обміну інформацією між об’єктами сусідніх рівнів ієрархії однієї системи.

Стек протоколів – це достатній набір протоколів для здійснення взаємодії вузлів мережі.

Архітектура комп’ютерної мережі – це узагальнююче поняття, що об’єднує топологію, стек протоколів, інтерфейси та комунікаційне обладнання комп’ютерної мережі.

Масштаб комп’ютерної мережі – це поняття, що пов’язане з територіальним розміщенням вузлів мережі.

За масштабом КМ розподіляють на локальні (Local Area Network, LAN) та глобальні (Wide Area Network, WAN).

Локальні комп’ютерні мережі (ЛКМ або ЛМ) територіально обмежені. Вони забезпечують зв’язок у межах будинку або групи будинків, що розташовані близько один від одного.

Глобальні мережі (ГМ) територіально не обмежені. Їх поділяють на дві категорії: магістральні мережі (Backbone), що забезпечують зв’язок між віддаленими потужними вузлами різних міст, країн, континентів, та мережі доступу (Access network), які забезпечують зв’язок між віддаленою невеликою локальною мережею або окремим комп’ютером з центральною мережею.

Проміжне місце за масштабом між локальними та глобальними мережами займають регіональні мережі (Metropolitan Area Network, MAN), що обслуговують територію великого міста, та кампусні мережі (від англ. campus – університетське містечко).

Діаметр мережі – відстань між найвіддаленішими вузлами. Для локальних мереж з кабельними з’єднаннями цю відстань вимірюють по довжині кабелю.

Трафік – характеристика процесу передавання інформації, що для КМ визначають як кількість переданих даних за проміжки часу.

1.2  Рівні ієрархії телекомунікаційних протоколів

Модель взаємодії відкритих систем (Open System Interconnection, OSI) була розроблена Міжнародною організацією зі стандартизації на початку 80-х років. Середовище передавання даних за цією моделлю розподіляється на сім рівнів (стандарт 7498 ISO). Кожен рівень виконує конкретний набір завдань. Межі між рівнями обрано так, щоб обмін інформацією був мінімальним. Функції кожного рівня локалізовані таким чином, щоб заміна одного рівня не спричиняла заміну інших.

Користуючись поняттям об’єкта рівня, можна сказати, що протоколи кожного рівня це є мова спілкування об’єктів одного рівня різних відкритих систем. Необхідною умовою такого спілкування є дотримання стандартів синтаксису та семантики цієї мови. Повний набір протоколів (стек протоколів) повинен забезпечити спілкування об’єктів на усіх рівнях від верхнього до нижнього. Існують десятки стандартизованих стеків протоколів різних за призначенням і можливостями, про які піде мова у цьому підрозділі. Кожен із цих стеків має свої особливості. При цьому рівні ієрархії телекомунікаційних протоколів у багатьох стеках не завжди точно відповідають рівням моделі OSI. Так буває, що один рівень ієрархії стеку протоколів відповідає двом-трьом рівням моделі OSI. Буває навпаки, що одному рівню моделі OSI відповідають декілька рівнів ієрархії стеку телекомунікаційних протоколів. У цьому випадку рівні ієрархії протоколів називають підрівнями, а рівнем називають сукупність цих підрівнів.

У таблиці 1.1 надано перелік рівнів моделі OSI.

Таблиця 1.1

Стандартні рівні моделі взаємодії відкритих систем

Номер та назва рівня за стандартом	Назва рівня українською мовою	Назва рівня у російських джерелах	Функціональне призначення рівня
7 Application layer	Прикладний	Прикладной	Взаємодія прикладних процесів
6 Presentation layer	Відображення	Представи-тельный	Перетворення даних (кодів, форматів)
5 Session layer	Сеансовий	Сеансовый	Керування діалогом
4 Transport layer	Транспортний	Транспортный	Встановлення наскрізного прозорого сполучення
3 Network layer	Мережний	Сетевой	Вибір маршруту та доставка пакетів
2 Data Link layer	Канальний	Канальный	Передавання даних між сусідніми вузлами
1 Physical layer	Фізичний	Физический	Зв’язування з фізичним середовищем

Слід звернути увагу на розрізнення таких понять як прикладний процес і прикладний рівень. На рис.1.4 показано взаємодію прикладних процесів двох віддалених відкритих систем. Прикладний рівень являє собою ту частину середовища передавання даних, яка має інтерфейс з прикладним процесом. Прикладні процеси віддалених систем використовують середовище передавання даних для спілкування між собою. Середовищем передавання даних для цих процесів є сукупність об’єктів усіх семи рівнів у системах клієнта і сервера, а також фізичні середовища (лінії зв’язку) і усі, що зображені на рис.1.4, об’єкти маршрутизатора. Маршрутизатор – це пристрій, що забезпечує з’єднання фізичних середовищ різних первинних мереж. Кількість маршрутизаторів на шляху передавання інформації між системами клієнта і сервера може досягати кількох десятків. В межах однієї мережі зв’язок здійснюється без маршрутизаторів.

Прикладний процес клієнта

Прикладний процес сервера

Маршрутизатор

Рис. 1.4. Взаємодія прикладних процесів двох реальних остаточних систем (клієнта і сервера) за стандартом 7498 ISO

Для успішного зв’язку необхідно, щоб протоколи рівнів 7к, 6к, 5к та 4к відповідно співпадали з протоколами рівнів 7с, 6с, 5с та 4с, протоколи мережного рівня (3к, 3м та 3к) мають бути однаковими або сумісними протягом усього шляху передавання інформації у мережі. Протоколи канального та фізичного рівнів можуть відрізнятись від сполучення до сполучення, але для кожного сполучення вони повинні співпадати. У нашому випадку повинні відповідно співпадати протоколи рівнів 2к та 1к з протоколами рівнів 2мк та 1мк, а також 2мс та 1мс з 2с та 1с.

Така модель взаємодії відкритих систем була створена для того, щоб майбутні розробники телекомунікаційних протоколів спирались на неї як на стандарт. Проте сучасні реально існуючі мережі не відповідають у повній мірі цьому стандарту. Стек протоколів, який було розроблено відповідно до моделі OSI, практично не знайшов свого місця у реальних мережах. Фактично стандарт 7498 ISO у повній мірі не було впроваджено.

Розглянемо стеки, що найбільш часто використовуються у сучасних мережах, та звернемо увагу на спільні риси цих стеків зі стандартом.

Найбільшого поширення набув стек протоколів TCP/IP, який було розроблено у 1969 році (за 14 років до появи стандарту 7498 ISO). Цей стек покладено в основу мережі Інтернет. Порівняємо функції протоколів стеку TCP/IP зі стандартом (рис.1.5).

Рівні моделі OSI Рівні стеку TCP/IP

Рис. 1.5. Відповідність ієрархічних рівнів моделі OSI ( за стандартом

7498 ISO) та стеку протоколів TCP/IP

У стеку TCP/IP виділяють чотири ієрархічні рівні, які функціонально відповідають семи рівням моделі OSI. Функції трьох верхніх рівнів моделі OSI об’єднані у одному прикладному рівні стеку TCP/IP та функції двох нижніх рівнів моделі об’єднані у одному рівні мережного інтерфейсу, який також називають канальним рівнем.

Схема взаємодії прикладних процесів з використанням протокольного стеку TCP/IP (рис.1.6) практично не відрізняється від схеми взаємодії за стандартом 7498 ISO, що зображена на рис.1.4.

Усі вимоги щодо сумісності протоколів, які виконують одні й ті самі функції, однакові у обох схемах.

На прикладі обміну інформацією між об’єктами усіх рівнів протокольного стеку TCP/IP, ознайомимось далі зі загальними принципами побудови стеків телекомунікаційних протоколів комп’ютерних мереж.

Рис. 1.6. Взаємодія прикладних процесів у мережі з використанням стеку протоколів TCP/IP

Розглянемо послідовність дій, що виконуються на кожному рівні протокольного стеку TCP/IP, у реальній остаточній системі під час передачі повідомлення (рис.1.7). Прикладний процес у цьому випадку є відправником інформації. Перед тим як потрапити у лінію зв’язку, повідомлення доповнюється заголовками від кожного ієрархічного рівня, а на канальному рівні доповнюється ще й кінцівкою. До лінії зв’язку повідомлення потрапляє у вигляді пакета або серії пакетів канального рівня, що звуться кадрами (frame). Усі рівні, крім канального, реалізовані у вигляді програмного забезпечення. Канальний рівень потребує апаратних засобів для з’єднання з фізичною лінією зв’язку.

Прикладний

процес

Прикладний

рівень

Потік інформації

Транспортний

рівень

Сегмент

Міжмережний

рівень

Дейтаграма

Рівень мережного інтерфейсу (канальний)